GEOLOGÍA APLICADA A LA INGENIERIA CIVIL

La geología es de suma importancia para la ingeniería civil; ya que nos ayuda al momento de cimentar y conocer el tipo de suelo donde se trabaja y las rocas existentes en ella, para así poder lograr una buena construcción.

GEOTÉCNIA:

La Ingeniería geotécnica es la rama de la Ingeniería civil e ingeniería geológica que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la Tierra. Los ingenieros geotécnicos investigan el suelo y las rocas por debajo de la superficie para determinar sus propiedades y diseñar las cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes, centrales hidroeléctricas, estabilizar taludes, construir túneles y carreteras, etc.

El ingeniero civil se enfrenta a una gran variedad de problemas, en los que el conocimiento de la geología es necesario. Algunos principios básicos de la geología son:

Conocimiento sistematizado de los materiales.

Los problemas de cimentación son esencialmente geológicos. Los edificios, puentes, presas, y otras construcciones, se establecen sobre algún material natural.

Las excavaciones se pueden planear y dirigir más inteligentemente y realizarse con mayor seguridad.

El conocimiento de la existencia de aguas subterráneas, y los elementos de la hidrología subterránea, son excelentes auxiliares en muchas ramas de la ingeniería práctica.

El conocimiento de las aguas superficiales, sus efectos de erosión, su transporte y sus sedimentaciones, es esencial para el control de las corrientes, los trabajos de defensa de márgenes y costas.

La capacidad para leer e interpretar informes geológicos, mapas, planos geológicos y topográficos y fotografía, es de gran utilidad para la planeación de muchas obras.

La capacitación para reconocer la naturaleza de los problemas geológicos.

GEOLOGÍA EN OBRAS VIALES:

La geología en obras viales juega un papel muy importante pues la mayoría de las carreteras, túneles, y demás obras viales utilizan la geología para realizar estudio de suelo de los terrenos que se utilizaran para dichas obras.

Cimentación de Puentes: 

Como antecedente necesario deberá recalcarse la gran importancia de la geología en la cimentación de los puentes. Por muy científicamente que esté diseñada una columna de un puente, en definitiva el peso total del puente y las cargas que soporta deberán descansar en el terreno de apoyo. Por ello la geología ayuda en este trabajo a conocer el terreno y poder hacer una buena cimentación.

Carreteras: 

Se puede esperar que todo proyecto de carreteras importante encuentre una gran variedad de condiciones geológicas, puesto que se extienden grandes distancias. Aunque será extraño que una carretera requiera actividades constructivas en las profundidades del subsuelo, pero si es necesario la geología en los cortes que se realizan para lograr las gradientes uniformes que demandan las autopistas modernas.

GEOLOGÍA EN OBRAS HIDRÁULICAS:

Centrales hidroeléctricas subterráneas:

La idea de situar centrales hidroeléctricas o de bombeo subterráneas es casi tan conocida, que han dejado de ser novedad en el diseño; pero para llevar a cabo esta construcción es necesario conocer de geología y de los diversos métodos geológicos; ya que este trabajo tiene mucho que ver con el estudio de suelo y subsuelo.

Cimentación de presas: 

La construcción de una presa almacenadora de agua altera más las condiciones naturales que cualquiera otra obra de la ingeniería civil. Esta es importante por la función que desempeñan: el de  almacenamiento de agua para el suministro de avenidas, recreación o irrigación. En esta construcción se debe conocer bien el suelo donde se hará la cimentación: y es allí donde entra el conocimiento de la geología.

GEOLOGÍA EN EDIFICACIONES:

La geología en las edificaciones constituye la zapata en la cual se apoyan todas las edificaciones existentes en la actualidad, pues, se debe realizar siempre un estudio del suelo sobre la cual los ingenieros civiles deben construir.

Si no se realizan los estudios del suelo debido la mayoría de las edificaciones con el tiempo pueden tener problemas los cuales son muy difíciles de reparar estando ya la edificación terminada.

En conclusión por medio de la geología se sabrá si el suelo tiene las condiciones aptas para que logre el objetivo ingenieril que es que el diseño estructural y el comportamiento del suelo tengan una relación provechosa.

Aplicación geológica a la edificación:

Antes de construir un edificio se hace necesario un informe geológico (Informe Geotécnico) que defina el tipo de cimentación y el nivel de apoyo en el terreno, las presiones de trabajo y los asientos asociados con los mismos y los eventuales problemas de ejecución.

Este tipo de informe es particularmente importante sino imprescindible, en las poblaciones situadas en zonas sísmicas o próximas a volcanes considerados inactivos, en las que las construcciones se tienen que hacer con muchas más garantías.

Desgraciadamente, esto ha costado muchas vidas humanas, no siempre se realizan estos estudios geológicos, por lo que se hace necesario el que la legislación contemplen este aspecto en su verdadera importancia, obligando a su realización y a un control de calidad durante la ejecución de la obra.

FUERZAS INTERNAS Y EXTERNAS:

La Geodinámica es una rama de la Geología, que trata de los agentes o fuerzas que intervienen en los procesos dinámicos de la Tierra. Se subdivide en:

Geodinámica interna o procesos endógenos: De los factores y fuerzas profundas del interior de la Tierra; así como de las técnicas y métodos especiales para el conocimiento de la estructura de las capas más profundas (técnicas geofísicas).

Geodinámica externa o procesos exógenos: De los factores y fuerzas externas de la Tierra (viento, agua, hielo, etc, ligada al clima y a la interacción de éste sobre la superficie o capas más externas).

ASPECTOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS A CONSIDERAR:

Los estudios geológicos y geotécnicos deben considerar los siguientes aspectos para el diseño adecuado y construcción eficiente de carreteras:

En la conformación de terraplenes:

Conformación con suelos apropiados.El material de los terraplenes tiende a consolidarse.Es necesaria la compactación enérgica y sistemática.Propiedades del terreno natural de cimentación.Estabilidad de taludes.Problemas de corrimientos o deslizamientos rotacionales.Zonas de capa freática somera.

En cortes o desmontes:

Reconocimiento geotécnico adecuado.Estabilidad de taludes.Naturaleza de los materiales.

En explanadas:

Es apoyo para el firme.El comportamiento del firme está ligado a las características resistentes de los suelos de la explanada.El firme protege a la explanada de los agentes atmosféricos.Capacidad soporte de la explanada adecuada.Los suelos de la explanada deben seleccionarse con criterios más estrictos que para el resto del terraplén.

Otros problemas geotécnicos:

Zonas de turbas o de arcillas muy compresibles.Zonas de nivel freático muy superficial.Zonas de rocas alteradas.Erosiones y arrastres de materiales en laderas.Vados o zonas inundables.Carreteras en la proximidad de ríos y arroyos.Zonas de gran penetración de la helada.Fallas geologicas.

MEDIDAS A TOMAR EN CUENTA:

LOCALIZACION:

Deben buscarse lugares en los cuales el suelo sea estable, donde no exista posibilidad de deslizamiento o caída de rocas en caso de sismo.  Evite ubicarse en el cauce de los ríos.La vivienda debe construirse alejada de laderas de los cuales se tenga duda de su estabilidad o realice la estabilización y protección del talud. No construya sobre suelos sueltos en ladera, ya que durante un sismo se pueden soltar fácilmente y arrastrar la vivienda. Si la pendiente de la ladera es mayor a 30% se debe buscar la asesoría de un ingeniero de suelos y un ingeniero estructural.

CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL:

Geometría: Se deben construir muros en dos direcciones perpendiculares entre sí, la geometría de la vivienda debe ser regular y simétrica.  Una vivienda simétrica, bien construida, resiste mejor la acción de los terremotos.  Se debe evitar construir viviendas con

formas alargadas y angostas donde el largo de la vivienda es mayor a 3 veces su ancho.

Resistencia: Es necesario garantizar uniformidad en el uso de los materiales en los muros, estructuras, cubiertas y demás. Esto permite una respuesta integral de la edificación en caso de sismo.   La vivienda debe ser firme y conservar el equilibrio cuando es sometida a la vibración de un terremoto. Viviendas poco sólidas e inestables se pueden volcar o deslizar.

Rigidez: Es deseable que los elementos que conforman la estructura de la vivienda se empalmen monolíticamente como una unidad y que se forme poco cuando la vivienda se mueve ante la acción de un sismo.

Continuidad: Para que una edificación soporte un terremoto su estructura debe ser sólida, simétrica, uniforme, continua o bien conectada. Cambios bruscos de sus dimensiones, de su rigidez, falta de continuidad, una configuración estructural desordenada o voladizos excesivos facilitan la concentración de fuerzas nocivas, torsiones y deformaciones que pueden causar graves daños o el colapso de la edificación.

MATERIALES:

Los materiales deben ser de buena calidad para garantizar una adecuada resistencia y capacidad para absorber y disipar la energía que el sismo le otorga cuando la edificación se sacude.Cemento: El cemento debe estar en su empaque original, fresco y al utilizarse se debe asegurar que conserve sus características de polvo fino sin grumos.

Agregados: La grava y la arena no deben estar sucias o mezcladas con materia orgánica (tierra), pantano y arcilla. Esto produce que la resistencia del concreto disminuya notablemente o se produzca gran cantidad de fisuras en los morteros.

GEOLOGIA APLICADA MECANICA DE

SUELOS - ORIGEN

En la Ingeniería Civil se debe conocer el contexto geológico del suelo, e incluso el climatológico y agrologico. Sin ese conocimiento, se producirán incógnitas que pueden traducirse en pérdidas de oportunidades y fallas para el Diseño de un proyecto durante sus fases de inicio y desarrollo, al desconocer propiedades inherentes y sobretodo, que pudiesen incorporar elementos de riesgo para el mismo, por omitir estas circunstancias fundamentales intrínsecas y ambientales.

GENERALIDADES:

Suelo, en Ingeniería Civil, son los sedimentos no consolidados de partículas sólidas, fruto de la alteración de las rocas, o suelos transportados por agentes como el agua, hielo o viento con contribución de la gravedad como fuerza direccional selectiva, y que pueden tener materia orgánica. El suelo es un cuerpo natural heterogéneo. La mecánica de suelos es la aplicación de la “mecánica” a los problemas geotécnicos, y estudia las propiedades, comportamiento y utilización del suelo como material estructural, de tal modo que las deformaciones y resistencia del suelo ofrezcan seguridad, durabilidad y estabilidad de las estructuras

¿QUÉ ES EL SUELO?

El suelo es una mezcla de minerales, materia orgánica, bacterias, agua y aire. Se forma por la acción de la temperatura, el agua, el viento, los animales y las plantas sobre las rocas. Estos factores descomponen las rocas en partículas muy finas y así forman el suelo.

LA ESTRUCTURA DEL SUELO

La estructura del suelo puede ser natural (la del suelo “in situ”), como un talud, canal en tierra o artificial (suelo como material de construcción), como

un terraplén o un relleno.

CONCEPTOS Y/O DEFINICIONES MANEJADOS EN SUELOS

Saprolito: Suelo que mantiene la estructura de la roca madre.

Regolito: Material suelto constituido por partículas de roca.

Suelo residual: El que se forma sobre la roca madre (autóctono).

Suelo transportado: El que se forma lejos de la roca madre (alóctono). Lixiviación: Remoción de material soluble del suelo por agua infiltrada.

Humus: Residuo de la descomposición de tejidos orgánicos, que da el color al suelo.

Relictos: Estructuras heredadas por el suelo, de la roca madre (diaclasas, etc.

Eluvión: Depósito in situ (autóctono). Origina talus y coluviones.

Coluvión: Depósito de ladera; proviene de los movimientos mázales (del talus).

Aluvión: Depósito de corriente (alóctono).

Subsidencia: Hundimiento por presencia de cavernas kársticas o fallas activas.

Fixible: Que se exfolia, es decir, se separa en láminas delgadas. Abrasión: Efecto de lija sobre las rocas, producido por viento, olas, glaciares, ríos.

Gelivación: Agrietamiento del suelo por acción del hielo.

– ETAPAS EN LA FORMACIÓN

LOS FACTORES DE FORMACION Y EVOLUCION DEL SUELO SON:

Arterial Parental: Permeabilidad y constituyentes minerales de la roca madre.

Tiempo: El clímax puede ser de decenas a miles de años. Por ejemplo siglos.

Topografía: Pendientes, drenaje; orientación de la ladera y barreras topográficas.

Formadores biológicos: Micro y macro fauna como fuente de humus.

Clima: Temperatura, balance hídrico, intensidad de acción y velocidad de procesos.

– ETAPAS EN LA FORMACION

LOS FACTORES DE FORMACION Y EVOLUCION DE LAS ARCILLAS:

Dependiendo de los Factores de Formación y Evolución del Suelo- FFES-, estos son los tres grupos de arcillas y otros materiales térreos, derivados de la alteración de los Silicatos.

Caolinita: Es estable y se da en clima tropicales drenados. Estas arcillas son moderadamente plásticas, de mayor permeabilidad y mayor fricción interna.

Illita: Se da en clima Seco y frio y está entre poco y medianamente estable. El coeficiente de fricción interno y la permeabilidad son menores que en la caolinita y mayores que en la montmorillonita.

Montmorillonita: Muy inestable y se da en climas secos o húmedos mal drenados. Además de ser expansiva, la montmorillonita es muy plástica y se contrae al secarse, mejorando su resistencia y haciéndose impermeable.

GEOLOGIA APLICADA SUELOS

Depósitos: El nombre de los depósitos depende del agente, el lugar y su estructura. El geólogo debe reconocer y advertir las propiedades ingenieriles de un depósito, como su densidad, resistencia, permeabilidad, naturaleza, etc., recurriendo al análisis de su génesis y a los materiales y procesos que lo explican:

Por el agente: Coluvial (gravedad), eólico (viento), aluvial (agua), glaciar (hielo).

Por el lugar: Palustre (pantanos), marino (mar), lacustre (lagos), terrígenos (continentes).

Por la estructura: clástico (fragmentos), no clástico (masivo). .

– CONOS ALUVIALES

Un abanico aluvial o cono de deyección, es en geología una forma del terreno o accidente geográfico formado cuando una corriente de agua que fluye rápidamente entra en una zona más tendida y su velocidad disminuye, extendiéndose su cauce en abanico, en general a la salida de un cañón en una llanura plana. Su vista en planta presenta el aspecto de un abanico y se origina a partir de la sedimentación de la carga sólida transportada por una corriente fluvial, allí donde ésta pierde súbitamente fuerza debido a la brusca disminución de la gradiente topográfica que se produce cuando un río que corre por entre las montañas alcanza la llanura del pie de monte o por otra causa parecida desde el punto de vista hidrodinámico, como cuando una corriente tributaria alcanza un valle de menor gradiente.

– CONOS ALUVIALES

En un abanico aluvial o cono de deyección, su perfil radial es cóncavo, mientras que su perfil transversal es marcadamente convexo. En la descripción de abanicos aluviales se utiliza la siguiente subdivisión: zona de cabecera, correspondiente a la parte más cercana al ápice asociada normalmente a conglomerados y clasto de tamaño, zona de cuerpo, presentando normalmente alternancia de conglomerados con areniscas y la zona de pie del abanico correspondiente a zonas distales que puede interdigitarse con otros ambientes sedimentarios, que puede ser caracterizada a la alternancia de areniscas con estratificación cruzada. La pendiente general varía entre 5° y 10° en la zona de la cabecera y de 1° a 2° en el pie, existiendo una correlación positiva entre pendiente del abanico y calibre del sedimento; y se diferencia con la de un rio porque esta es siempre mayor.

– CONOS ALUVIALES

La siguiente es la clasificación comúnmente más utilizada para describir abanicos aluviales:

Abanicos húmedos. Con corrientes (semi) perenne pueden cubrir miles de kilómetros cuadrados y cuentan también con gradientes más bajos, normalmente menores a 1º. En estos existe un predominio de flujos fluidos.

Abanicos secos o áridos. Con escurrimiento esporádico, está dominado por flujo de detritos. Normalmente se desarrollan a lo largo de los escarpes de falla y en grabens, donde el tetanismo renovado, lleva a repetirse la sedimentación. Pueden cubrir unas pocas decenas de kilómetros cuadrados y puede mostrar gradientes globales de más de 3º.

– CONOS COLUVIALES

Un coluvión es un aluvión constituido por los granos más finos del limo y de la arena, transportados a corta distancia, arrastrados por una arroyada (escorrentía) difusa. La formación de coluviones (o coluvionamiento) es característica de los terrenos llanos de vegetación abierta, como las sabanas y los campos de cultivo. Los coluviones van llenando progresivamente las cavidades, allanando esos terrenos. Por el contrario, la arroyada que baja de las vertientes excava al pie de éstas una depresión característica, al arrastrar las partículas finas del suelo para abandonarlas en otra parte. El coluvionamiento antrópico (es decir, provocado por el hombre) se debe sobre

todo a las labores agrícolas. En particular, tiende a nivelar los campos que forman pendiente, ya que el agua, que discurre por gravedad, se carga de las partículas en la zona superior y las abandona en la inferior.

- La Estructura del Suelo

Se refiere a la manera en que las partículas del suelo se agrupan en fragmentos mayores y la estructura influye en la proporción de agua que es absorbida por el suelo, en la susceptibilidad del suelo a la erosión y en la facilidad de cultivo.

Las partículas irregulares de aristas y vértices agudos dan lugar a una estructura en bloques con forma de nuez.

Si las partículas son más o menos esféricas, la estructura es granular.

Algunos suelos tienen estructura prismática o en columnas, formada por prismas o columnas verticales de tamaño comprendido entre 0,5 y 10 centímetros.

La estructura laminar consiste en trozos planos en posición horizontal.

- PROPIEDADES

Entre las propiedades de los suelos se encuentran: el color, distribución del tamaño de las partículas, consistencia, textura, estructura, porosidad, atmósfera, humedad, densidad, pH, materia orgánica, capacidad de intercambio iónico, sales solubles y óxidos amorfos-sílice alúmina y óxidos de fierro libres.

Las propiedades físicas permiten conocer mejor las actividades agrícolas fundamentales como el laboreo, la fertilización, el drenaje, la irrigación, la conservación de suelos y agua, así como, el manejo adecuado de los residuos cosechas. Tanto las propiedades físicas como las químicas, biológicas y mineralógicas determinan, entre otras, a la productividad de los suelos.

Hay una relación entre el tamaño de las partículas y su superficie específica (área de las partículas por unidad de masa de material).

- PROPIEDADES

El tamaño del área superficial de un material puede influir en las propiedades físicas y químicas. Los suelos difieren en el área superficial como resultado de las diferencias de textura, tipos de minerales arcillosos y materia orgánica. Propiedades tan importantes como la retención del agua y la capacidad de intercambio iónico dependen de la superficie específica de los suelos.

La densidad aparente varía de acuerdo al estado de agregación del suelo, al contenido de agua y la proporción del volumen ocupado por los espacios intersticiales, que existen incluso en suelos compactos. La densidad aparente es afectada por la porosidad e influye en la elasticidad, conductividad eléctrica, conductividad térmica, en la capacidad calorífica a volumen constante y en la dureza.

- PROPIEDADES

La textura de un suelo es la proporción de los tamaños de los grupos de partículas que lo constituyen y está relacionada con el tamaño de las partículas de los minerales que lo forman y se refiere a la proporción relativa de los tamaños de varios grupos de partículas de un suelo.

Para el estudio de la textura del suelo, éste se considera formado por tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida constituye cerca del 50 % del volumen de la mayor parte de los suelos superficiales y consta de una mezcla de partículas inorgánicas y orgánicas cuyo tamaño y forma varían considerablemente.

- PROPIEDADES

La distribución proporcional de los diferentes tamaños de partículas minerales determina la textura de un determinado suelo. La textura del suelo se considera una propiedad básica porque los tamaños de las partículas minerales y la proporción relativa de los grupos por tamaños varían considerablemente entre los suelos, pero no se alteran fácilmente en un determinado suelo.

- PROPIEDADES

El procedimiento analítico mediante el que se separan las partículas de una muestra de suelo se le llama análisis mecánico o granulométrico y consiste en determinar la distribución de los tamaños de las partículas. Este análisis

proporciona datos de la clasificación, morfología del suelo, así como, de las propiedades físicas del suelo como la permeabilidad, retención del agua, plasticidad, cantidad de aire, capacidad de cambio de bases, etc. Todos los suelos constan de una mezcla de partículas o agrupaciones de partículas de tamaños similares por lo que se usa su clasificación con base en los límites de diámetro en milímetros

- PROPIEDADES

- PROPIEDADES

Los nombres de las clases de textura se utilizan para identificar grupos de suelos con mezclas parecidas de partículas minerales. Los suelos minerales pueden agruparse de manera general en tres clases texturales que son: las arenas, las margas y las arcillas, y se utiliza una combinación de estos nombres para indicar los grados intermedios. Por ejemplo, los suelos arenosos contienen un 70 % o más de partículas de arena, los areno-margosos contiene de 15 a 30 % de limo y arcilla. Los suelos arcillosos contienen más del 40 % de partículas de arcilla y pueden contener hasta 45 % de arena y hasta 40 % de limo, y se clasifican como arcillo-arenosos o arcillo-limosos.

- PROPIEDADES

Los suelos que contienen suficiente material coloidal para clasificarse como arcillosos, son por lo general compactos cuando están secos y pegajosos y

plásticos cuando están húmedos. Las texturas margas constan de diversos grupos de partículas de arena, limo y arcilla y varían desde margo-arenoso hasta los margo-arcillosos. Sin embargo, aparentan tener proporciones aproximadamente iguales de cada fracción.

Para determinar el tipo de suelo de acuerdo al porcentaje de sus componentes minerales, es decir, para hacer la clasificación de las texturas se utiliza el denominado Triángulo de textura de suelos, una vez que se ha determinado experimentalmente la proporción de las partículas constitutivas de un suelo.